环境第二章地下水环境

环境地质学第二章地下水资源开发和利用的地质环境国土资源系隋维国第一节概论•地下水通常指地面以下地壳表层中可供利用的水资源。•地下水是地球上水资源的一部分。•地下水储藏量占全世界水储总量的1.7%。•地下水是一种十分重要的淡水资源，占整个淡水资源的30%1.地下水特点•流动慢，交替迟缓，更新期长。•地下水平均更新周期为1500年，地表水平均更新周期为300年。•储藏量大，分布广。•水质好，不易受污染。2.地下水资源特点•可恢复性：只要合理开采，科学管理，便可长期开采。•系统性：地下水资源按一定水系统发育。在一定的构造地质、水文地质条件控制下，形成一定的含水系统。•复杂性：地下水资源的形成，变化过程不能直接观察。3.地下水资源分类•目前没有统一分类方案。•一般分为天然资源和开采资源。•天然资源：指在一个完整的水文地质单元内，地下水在天然条件下通过各种途径，直接或间接地接受大气降水或地表水的入渗补给而形成具有一定化学特征、可以利用并按水文周期呈现规律变化的多年平均补给量；其一般特征可用区域内各项补给量的总和来表征。3.地下水资源分类•开采资源：•指在合理开采条件下以及在开采过程中不发生水质恶化或其他不良地质现象，有保证的可供开采的地下水资源。第二节地下水赋存的地质环境•一、岩土的空隙及地下水的存在形式•岩土空隙是地下水的储容场所，又是地下水的运动通道。•空隙的密度、大小及其分布规律决定着地下水分布和运动的特点。•岩土空隙分为：孔隙、裂隙、溶孔。1.孔隙•孔隙：松散堆积物颗粒之间的空隙。•孔隙度：单位体积岩土中孔隙体积所占的比例。2.裂隙•裂隙：岩石中的空隙。•裂隙分为成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙。•裂隙率：裂隙体积与岩石体积之比。3.溶穴•溶穴：可溶性岩石被水溶蚀后产生的空洞。•可溶性岩石：灰岩、白云岩、石膏等。•岩溶率：溶穴体积在岩石总体积中所占的比例。变化范围大。4.水的赋存形式•存在于岩土空隙中的水分为固态水、气态水、液态水。•通常所说的地下水（groundwater）实际上是指可以开发的液态自由水。•存在于松散堆积物中的水称为孔隙水；•岩石裂隙中的水称为裂隙水；•可溶性岩石溶穴中的水称为岩溶水。5.含水层和隔水层•根据储水和隔水的能力，将岩土层分为：•含水层：岩层空隙中储存有地下水而且能透水的岩层，如砂岩、砾石层等。•隔水层：不含水或含水不透水的岩层，如页岩、无裂隙的花岗岩等。二、地下水类型•1.上层滞水：包气带内局部隔水层上的地下水。•2.潜水：第一个稳定隔水层之上的地下水，其表面是一个自由面，称为潜水面。在空间上为一曲面，大致与地形起伏一致。•3.承压水：两个含水层之间的地下水，承压性是承压水的重要特征。三、地下水水质及环境地质作用•1.水质•地下水是一种溶有各种离子、分子、化合物以及不同气体成分的水溶液。•已经发现地下水中含有60多种元素；•常见的阳离子：Na+、K+、NH4+等；•常见的阴离子：OH-、CH-、等；•常见的化合物：Fe2O3、Al2O3等。•地下水化学成分的形成主要受地质构造、地貌、气候、水文及人为因素影响；其形成作用主要有溶滤溶解作用、混合作用、浓缩作用等。•地下水的化学成分可以用水化学类型、矿化度等指标表示。•地下水在形成、运动过程中与环境的各种作用及其影响归纳为表2-1。分类常见作用作用结果环境影响作用实质环境水文地球化学作用溶解-沉淀氧化-还原形成硅华、钙华，有害元素富集，毒性改变水质变坏、引起地方病，公害病物质迁移环境水动力作用荷载效应、孔隙水压力效应、潜蚀地面沉降、水诱发地震、岩溶塌陷破坏交通、影响开矿、损坏市政建设能量转化环境水物理学作用冻胀作用、融缩作用、热污染冻土区地基失稳，热融滑坡破坏建筑、影响交通热量转化环境水文生态作用富营养化、蒸发作用、水土流失生物属种减少、土地盐渍化、沼泽化、盐碱化影响农业、林业、渔业、旅游业生态效应表2-1地下水环境地质作用分类第三节地下水资源开发和利用的环境地质问题•一、地下水资源的开发利用•随着经济发展，人类对水的需求量不断增加。•许多国家和地区严重缺水。•我国的水资源，数量少而且分布不均匀。•人均拥有的水量只相当于世界人均水平的四分之一。代号类型划分原则城市名称A资源危机地下水开采量超过可开采量50%以上北京、天津、常州、哈尔滨、福州、西安B资源不足地下水开采量超过可采资源量不足50%石家庄、太原、银川、沈阳、呼和浩特、郑州、杭州、南昌、长春、乌鲁木齐、C资源均衡地下水开采量基本上等于可采资源量上海、长沙、成都D资源丰富地下水开采量小于可采资源量海口、济南、桂林、昆明、南宁我国24个主要大中城市地下水资源分类•目前，世界各国广泛应用地下水。•某些地区地下水的使用量已超过地表水的使用量•我国，特别是北方地区，地下水是主要的供水水源，约占总供水量的1/4；•其中，海河流域地下水供水量占全流域供水量的53%；•在80个大城市中，主要采用地下水供水的约占60%；以地下水作为辅助水源的约占40%。•地下水主要用于生活用水、工业用水、农业用水。•据联合国统计，在年总用水量中，农业灌溉用水占73%，工业用水占21%，生活用水占6%。二、不合理开发利用地下水资源引起的环境地质灾害•不合理开发地下水引起环境地质问题经常是由于过量开采地下水导致的。•1.地下水位下降，地下水资源短缺，枯竭。•2.地面沉降、塌陷。•3.地下水质污染。•4.海水入侵。•5.土地沙漠化。•6.地面下空气缺氧。第四节地下水污染1.地下水污染：在人类活动影响下，地下水水质恶化的现象。•①将水质变坏的程度超过饮用水水质标准（或其它水质标准）的地下水称为被污染的地下水。•②以地下水区域背景值作为确定污染的标准。•背景值是天然的区域性指标，是未受人类影响的地区地下水组分的含量指标。•若地下水中有害成分超过背景值，则地下水已开始被污染。•我国的水污染（地表水、地下水）较严重。•据1989年资料，全国每年环境污染造成的损失883亿元，其中水污染经济损失为377亿元，占污染总经济损失的45%。•44个重要城市中，已有34个城市的地下水受到不同程度的污染；•污染较重的城市有10个，其中7个是以地下水作为主要供水水源的城市。•在许多发达国家，地下水和地表水均遭受到严重的污染。•地下水污染的结果是使水资源部分或全部不能使用。2.地下水污染的特点：•⑴地下水一般不受“三废”的直接污染；•⑵地下水比其它天然水难以污染，其污染过程及其缓慢，受污染的地下水在相当长的时间内，污染仅局限在一定的范围内；•⑶地下水污染范围受水文地质条件和污染源分布条件限制，一般呈平行于流向的带状分布，由于污染范围扩展缓慢，地下水污染状况在短时间内不易被发现，也难以监测；•⑷地下水一旦被污染，则难以再恢复到原来状态；•⑸注水和疏干等人为活动可加速地下水污染，使水质进一步恶化。3.我国地下水污染的特点•⑴集中在人口和工业较密集的城市地区；•⑵地下水中常规组分增加，水硬度增高是城市地下水污染的明显标志；•⑶地下水中出现酚、氰化合物以及重金属有毒物质（汞、铅、镉、砷等），表现出工业污染特征。4.地下水污染方式和污染原因•⑴污染方式：直接污染和间接污染。•直接污染：污染源中的组分直接进入地下水中，污染物在污染地下水后的性质没有改变；•直接污染是地下水遭受污染的主要方式，其污染源较易被追踪和发现。•间接污染：地下水中的污染物是污染过程的的产物。•间接污染较难被发现。⑵污染源•点型污染源：污染扩散体积小，但污染强度大，源中的污染物浓度高，如城市废物场、污水处理池等。•面型污染源：污染扩散体积大。污染物浓度较小；如使用肥料、化肥、农药的农田等。⑶地下水污染原因：①污染物直接入渗：污染源中的组分直接入渗地下后污染地下水。•污染源有：工业污染源、农业污染源、生活污染源、环境污染源。②人工开采地下水不当导致污染•在开采地下水过程中使地下不同含水层串层污染；•过量开采地下水后使水位下降，外围咸水体或海水入侵；•人工回灌不洁净水而污染地下水。③地下水天然不洁净5.地下水污染物质种类•⑴细菌微生物。如肝炎、脑炎病菌等。•⑵无机化合物。如Cl-等。•⑶有机化合物。人工有机化合物共有约200万种，在饮用水中曾检测出1200种，其中致癌物质10多种。•⑷放射性物质核素。•⑸其它物质。如粘土矿物类、石棉纤维、蛇纹石纤维等。6.污染物质的环境效应•污染物在地下水系统的迁移过程中，将与周围介质发生复杂的的作用，产生不同的环境效应。•地表污染物进入含水层，大部分必须经过包气带，污染物在迁移时，一部分降解为无毒的组分，一部分由于过滤、吸附和沉淀而残留在土壤中，使污染物的浓度降低，这种现象称为自净作用。•与此相反，某些作用可增强污染物的迁移性能，使其浓度增加，或以一种污染物转化成为另一种污染物，增加了对环境的污染。•因此，污染物在迁移过程中，经过与周围介质的作用，能产生两种环境效应：阻止迁移效应（净化效应）和增强迁移效应。•产生这些效应的作用主要有：•①机械过滤作用•②化学作用：主要指吸附、沉淀、氧化还原、化学降解等作用。•③生物作用：主要包括微生物降解和植物摄取7.地下水污染的防治•地下水的赋存环境决定了地下水一旦被污染就难以治理，所以对地下水污染治理，原则上应以预防为主，加强管理，综合防治。•地下水污染治理措施有很多，综合如下：•①加强废物无害化处理，减少污染物；•②合理进行工业布局，确保地下水水质局部保护；•③加强地下水管理，进行区域地下水污染综合治理。第五节地下水环境的保护与管理•地下水环境保护旨在合理开发地下水资源，调控地下水水量，保持地下水水质的良好状态，以防止地下水资源枯竭、地面沉降和地下水污染等。•地下水管理是为了对损害地下水资源的人类活动施加影响，积极协调人类活动与地下水的关系，以达到即最大限度利用地下水资源，又将由开采地下水引起的危险缩小到最小限度。•地下水资源环境的保护和管理应以地下水资源评价为基础，包括水质评价和水量评价。一、地下水资源的评价•大区域的地下水资源评价通常只评价天然资源，评价区域常常为一个大的河流流域。•地下水资源评价和地表水评价经常同时进行，统一评价，评价结果主要为国民经济规划提供依据。•对城市供水、工厂企业的生产用水和农业用水，主要要求评价地下水开采资源，以便合理开发利用地下水。•评价地下水开采资源的目的，是计算整个开采期间水源地所能提供的地下水量。•评价地下水开采资源时，要考虑：•⑴使有限的地下水资源产生最优的社会经济效益。因此要考虑不同的开采方案，分别进行计算。•⑵开采地下水以后引起的环境变化，以不产生公害为原则，做到既最大限度地利用地下水，又不使环境产生严重恶化。•⑶评价地下水资源时，应把地下水作为总水资源的一部分。•⑷要对整个地下水盆地进行评价。二、地下水环境质量评价•环境质量是环境要素的内在素质。•环境质量评价是对环境要素优劣程度的定量描述。•地下水环境质量评价是环境质量评价的重要组成部分。•关于评价内容，目前尚无统一标准。•地下水环境质量评价的程序：•历史资料的收集及回顾性调查；•地下水管理现状及开发利用现状调查；•编制环境水文地质评价设计书；•环境水文地质调查；•地下水污染源调查；•地下水污染状况调查；•基础环境地质调查；•环境水文地质监测；•环境水文地质勘探；•环境水文地质试验；•环境数据处理；•编制环境水文地质图集；•编写环境水文地质评价报告。•目前国内对地下水环境质量评价的方法有：•数理统计方法；•环境水文地质制图法；•水质模型法；•综合指数法；•模糊数学法。•这些方法一般首先要根据研究区具体情况选择评价因子；然后确定评价标准（国家饮用水标准和地下水区域背景值）；将评价因子与评价标准相比较，采用合适的数学模型和方法，得出总得评价结论。三、地下水环境保护与管理（一）地下水水质防护•地下水水质防护分为预防性的先期防护和治理性的后期防护。•两类防护都以相应的环境质量评价为基础。•水质防护应从区域防护着手，加强局部防护。•地下水水质区域防护必须以区域环境水文地质研究为基础，充分利用环境的自净作用，合理规划工农业生产，使